GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 1
C
C
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
G1
1
1
1
.
.

Đ
Đ
O
O


2L
L
T
T
)
)
11.1. Cơ sở chung.
Góc pha cùng với tần số và biên độ là một thông số cơ bản của quá trình dao
động:
x(t) = X
m
.cos(ωt + ϕ)
trong đó: X
m
là biên độ của dao động
ω là tần số góc của dao động
(ωt + ϕ) là pha của dao động, trong đó ϕ - góc lệch pha ban đầu là
đại lượng không đổi, còn ωt là đại lượng thay đổi theo thời gian.
Thông thường người ta đo góc lệch pha giữa hai dao động x
1
và x
2
có tần số
như nhau:

1
1
.
ϕ
ω
ω
ϕϕ
−= hoặc
1
1
2
2
.
ϕ
ω
ω
ϕϕ
+−=
Đối với các tín hiệu đa hài thì thì góc lệch pha ϕ được coi như góc lệch giữa
các sóng hài bậc một. Đối với các tín hiệu phức tạp hơn, ví dụ tín hiệu xung
chẳng hạn thì người ta không nói đến góc lệch pha mà đưa ra khái niệm về độ
lệch thời gian: là khoảng thời gian giữa các thời điểm khi mà tín hiệu vượt qua
một mức nhất định nào đó (ví dụ mức không chẳng hạn).
Thông thường góc lệch pha được đo bởi gradian hay độ. Còn độ lệch thời
gian được đo bằng giây (s).
Thường gặp trường hợp cần đo góc lệch pha giữa hai tín hiệu có cùng tần số
trong khoảng từ 0 ÷ 360
0
.
Có nhiều phương pháp đo góc lệch pha:

trùng pha với điện áp U. Theo công thức của cơ cấu chỉ
thị lôgômét điện động ta có:







=
)cos(
)cos(
)(
22
11
III
III
FF
α

theo hình 11.1b ta có:







−
=

1
= I
2
; β = γ thì từ (11.1) suy ra:
α = ϕ
Như vậy độ lệch góc α của cơ cấu chỉ thị được xác định bởi góc ϕ. Bảng khắc
độ được khắc theo đơn vị của góc ϕ hay hệ số cos ϕ.
Nhược điểm của loại fazômét này: là chỉ được tính cho một cấp điện áp. Nếu
thay đổi điện áp thì phải thay đổi điện trở R
1
và điện cảm L
2
do đó dẫn đến thay
đổi góc β. Ngoài ra sai số còn phụ thuộc vào tần số vì trong mạch có cuộn cảm.
Để khắc phục sai số do tần số gây ra ta chia một cuộn thành hai cuộn nối song
song với nhau. Một cuộn nối với điện dung C còn cuộn kia nối với điện cảm L
như hình 11.2.
Ta có:
C
L
.
1
.
ω
ω
=

GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 3
Khi tần số tăng, ở nhánh 1 điện kháng X

a) Sơ đồ khối nguyên lý b) Biểu đồ thời gian
Tín hiệu hình sin x
1
và x
2
qua các bộ tạo xung TX
1
và TX
2
. Khi tín hiệu đi
qua mức "0" tạo ra các xung U'
1
và U'
2
(H.11.3b), các xung này được đưa đến
đầu vào của Trigơ (S-R).
Như vậy các tín hiệu hình sin ở đầu vào nhờ các bộ tạo xung đã biến độ lệch pha
thành khoảng thời gian giữa các xung. Khi có sự tác động của các xung này lên
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 4
đầu vào của trigơ xuất hiện tín hiệu I
Tr
ở đầu ra, qua cơ cấu chỉ thị từ điện ta sẽ
có một dòng trung bình:
0
360

ϕ
mmtb
I

m
và sai số của phép đo dòng trung bình I
tb
.
Loại fazômét này thường được sử dụng để để đo góc pha 0 ± 180
0
(360
0
), dải tần
số 20Hz ÷ 200kHz.
11.2.3. Fazômét chỉ thị số:
Nguyên lý hoạt động: dựa trên nguyên tắc biến đổi góc lệch pha thành mã:
đầu tiên góc lệch pha cần đo giữa hai tín hiệu được biến thành khoảng thời gian.
Sau đó lắp đầy khoảng thời gian đó bằng các xung với các tần số đã biết trước.
Các fazômét xây dựng theo nguyên tắc này bao gồm bộ biến đổi góc pha thành
khoảng thời gian, bộ biến đổi thời gian - xung, bộ đếm và chỉ thị số.
Xét fazômét đơn giản nhất như hình 11.4:

Hình 11.4. Fazô mét chỉ thị số:
a) Sơ đồ khối nguyên lý b) Biểu đồ thời gian
Các tín hiệu x
1
, x
2
có dạng hình sin được đưa vào các bộ tạo xung, các xung
xuất hiện khi tín hiệu đi qua mức "0". Các xung này sẽ được đưa đến các đầu vào
của Trigơ và tạo ra ở đầu ra Trigơ một xung mà độ dài của nó tỉ lệ với góc lệch
pha cần đo ϕ
x
. Khoá K được mở trong khoảng thời gian t

.
.360

360
.
0
0
0
0
0
0
====
Như vậy số xung đếm được tỉ lệ thuận với góc pha ϕ
X
cần đo với điều kiện f
0
và
f
X
là những đại lượng không đổi.
Đặc điểm: sai số của phép đo này chủ yếu phụ thuộc vào độ không ổn định
của f
0
và f
X
. Ngoài ra còn sai số của việc hình thành và truyền đi khoảng t
X
và sai
số do lượng tử hóa khoảng thời gian t
X

.
Các bộ TX
1
, TX
2
, Trigơ, khoá K
1
và bộ phát tần số chuẩn f
0
giống như trên sơ đồ
hình 11.4. Ở hình 11.5b chỉ rõ biểu đồ thời gian của quá trình làm việc của
fazômét. Khoảng thời gian t
u
sẽ mở khoá K
2
và xung từ các khoảng t
x
nằm gọn
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 6
trong t
u
sẽ đi qua K
2
vào bộ đếm.
Số xung đếm được sẽ là:
XX
X
X
X

Đặc điểm: sai số của mạch này chỉ còn phụ thuộc vào độ biến động của hệ số
k của bộ chia tần để tạo ra khoảng t
u
. Nếu ta tính toán để hệ số chia k = 3,6.10
n

thì kết quả góc pha sẽ được tính bằng độ.
Chú ý rằng nếu tần số của tín hiệu nhỏ thì khoảng đo sẽ bị hạn chế vì số khoảng
t
X
chứa trong t
u
nhỏ. Để mở rộng khoảng đo thì cần phải tăng khoảng thời gian
đo t
u
. Ngược lại nếu tần số của tín hiệu lớn thì sai số lượng tử hoá khoảng thời
gian t
X
tăng lên và tăng sai số của thiết bị.
Thông thường fazômét loại này làm việc trong khoảng tần số từ một vài Hz đến
vài MHz và có sai số cỡ (0,1÷0,2%).
11.3. Đo góc pha bằng phương pháp biến đổi bù.
Nguyên lý của phương pháp này như sau: góc lệch pha cần đo được so sánh
với một góc lệch pha chuẩn ϕ
k
do một bộ quay pha tạo ra. Đây thực chất là
phương pháp so sánh:
ϕ
X
- ϕ

Hình 11.6. Sơ đồ nguyên lý của fazômét kiểu bù điều khiển bằng tay
Quá trình đo được tiến hành như sau: lúc đầu cần chỉnh định để loại trừ mọi
sự sai lệch về pha giữa hai kênh bằng cách đưa khoá S về vị trí 1, đặt quay pha
chuẩn ϕ
k
ở vị trí 0 bằng cách thay đổi quay pha phụ để đạt được vị trí 0 ở bộ chỉ
thị cân bằng.
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 7
Sau đó khoá S được chuyển về vị trí 2 và điều chỉnh quay pha chuẩn cho đến khi
đạt được vị trí 0 ở bộ chỉ thị cân bằng. Khi đó kết quả sẽ được đọc ở bộ quay pha
chuẩn ϕ
k
(có khắc độ trên mặt).
11.3.2. Fazômét kiểu bù tự động:
Kiểu bù bằng tay không thuận tiện và độ chính xác phụ thuộc rất nhiều vào
người điều khiển. Hơn nữa nhiều khi cần phải theo dõi sự thay đổi của góc pha
theo thời gian. Điều này dẫn đến việc chế tạo fazômét kiểu bù tự động.
Sơ đồ khối của một fazômét kiểu bù tự động như hình 11.7:

Hình 11.7. Sơ đồ khối của fazômét kiểu bù tự động.
Nguyên lý hoạt động: một đầu vào U
2
được đưa trực tiếp vào bộ chỉ thị cân
bằng còn đầu vào U
1
qua một loạt các bộ quay pha đấu nối tiếp nhau Φ
1
÷ Φ
n

2-4 có khoảng đo là
±
240
0
với sai số 0,7
0
ở tần số từ 20Hz
÷

60kHz.
Với phương pháp biến đổi tần số trung gian có thể mở rộng khoảng tần số của
dụng cụ đến 10MHz, nhưng sai số có thể tăng lên dến 2-3
0
.
Bộ phận chủ yếu trong các fazômét kiểu bù là các bộ quay pha. Bộ quay pha
thường được chế tạo dựa trên các nguyên tắc: quay pha thông số, quay pha tròn,
quay pha dưới dạng đường dây trễ.
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 8
- Quay pha thông số: thường đạt được độ lệch pha trong khoảng 0÷180
0
với
sai số nhỏ hơn 1,5%. Sai số của quay pha chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác và
ổn định của các phần tử, của tần số làm việc và điện trở tải.
- Quay pha tròn: có thể phân thành quay pha điện trở, điện cảm và điện
dung. Góc lệch pha có thể đạt được là 0÷360
0
và bảo đảm làm việc trong khoảng
rộng.
 Loại quay pha điện trở: Loại quay pha điện trở chủ yếu làm việc ở dải

Như vậy đối với một máy đếm điện tử để đo thời gian cần phải có hai đầu vào:
một để tạo ra xung “bắt đầu”-“start” và một để tạo ra xung “chấm dứt”-“stop”
ứng với điểm đầu và điểm cuối của khoảng thởi gian cần đo. Trong các bộ tạo
xung đầu vào phải cài đặt bộ hiệu chỉnh đặc biệt để có khả năng đo khoảng thời
gian giữa hai mức tín hiệu vào.
11.4.1. Đo khoảng thời gian bằng cách biến đổi thành số xung tỉ lệ với nó:
Việc đo khoảng thời gian giữa hai xung của hai đầu vào A và B như hình 11.7.
Nguyên lý hoạt động: các xung sau khi qua bộ khuếch đại tạo xung tạo ra
xung đưa vào hai đầu của bộ điều khiển để tạo ra xung mở (và đóng) khoá K.
Khoảng thời gian khoá K mở bằng khoảng thời gian cần đo t
X
xung từ máy phát
chuẩn
00
/1 Tf = được đưa vào máy đếm qua khoá K trong khoảng thời gian t
x
.
Số xung mà máy đếm sẽ được tính như sau:
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 9
X
X
tf
T
t
N
0
0
==
⇒

Để đo độ dài của một xung t
u
ta đưa xung đó một lúc vào cả hai đầu A và B
của bộ khuếch đại tạo xung. Cả hai sườn xung trước và sau của xung sẽ tạo ra
các xung start và stop. Đưa vào bộ điều khiển để tạo ra xung mở và đóng khoá K.
Tiếp theo quá trình diễn ra giống như ở trên.
Sai số của phép đo sẽ là:
100).(
0
0
u
ftu
t
T
+±=
γγ

trong đó t
u
là độ dài xung cần phải đo.
11.4.2. Đo khoảng thời gian với sự biến đổi toạ độ thời gian:
Nguyên lý hoạt động: giá trị thời gian cần đo t
X
được biến đổi thành một
xung mà biên độ của nó tỉ lệ với độ dài của khoảng thời gian đó.
Biên độ của xung tiếp theo lại được biến đổi trở lại thành khoảng thời gian t'
X

nhưng độ dài của nó tỉ lệ với biên độ và bằng k lần lớn hơn độ dài của khoảng
thời gian cần đo, tức là:

= k.t
X
được đưa đến mở khoá K, và xung từ máy phát chuẩn được
đưa vào bộ đếm đến cơ cấu chỉ thị số.

Hình 11.9. Sơ đồ khối của một máy đo thời gian theo phương pháp
biến đổi toạ độ thời gian
Số xung N đếm được ở bộ đếm là:
X
XX
tfk
T
tk
T
t
N
.
0
00
'
===
với
00
/1 Tf = là tần số của máy phát chuẩn có độ ổn dịnh cao.
Như vậy số xung đếm được tỉ lệ với t
X
cần phải đo.
Đặc điểm: ưu điểm của máy đo thời gian điện tử số là có độ chính xác cao và
độ tác động nhanh cao.